(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西西安 710064)
在高速公路的修建過(guò)程中,不僅會(huì)破壞原有景觀,減少綠色植物的覆蓋面積,汽車行駛所產(chǎn)生的尾氣、噪聲還會(huì)嚴(yán)重污染自然環(huán)境,中央隔離帶綠化工作不到位,對(duì)向行車所造成的炫目也無(wú)法避免[1]。因此在大力發(fā)展高速公路的同時(shí),還必須十分重視綠化工作。國(guó)外綠籬機(jī)的發(fā)展始于上個(gè)世紀(jì)初,在上百年的發(fā)展過(guò)程中,從最原始的純手動(dòng)剪刀式、動(dòng)力手持式到高效、安全的車載式綠籬機(jī)[2]。綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)的性能直接影響著綠籬機(jī)的工作性能,因此綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究顯得尤為重要。本研究對(duì)車載式綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)其所用到的元件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和選型,并利用AMESim軟件對(duì)兩個(gè)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和修剪機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真,以此來(lái)驗(yàn)證執(zhí)行元件選型的合理性。
車載式雙臂綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示,該液壓系統(tǒng)包括臂架液壓系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)、修剪刀具液壓系統(tǒng),其中臂架液壓系統(tǒng)包括變幅機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)、伸縮機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)、修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)。由于執(zhí)行元件過(guò)多,整體液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式液壓系統(tǒng)[3]。車載式雙臂綠籬機(jī)所涉及的動(dòng)作為:變幅機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)、伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮、修剪機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)、修剪刀具的旋轉(zhuǎn),這四個(gè)動(dòng)作不同時(shí)進(jìn)行,不相互干涉,則本液壓系統(tǒng)采用順序單動(dòng)液壓回路。
1.吸油過(guò)濾器 2.雙聯(lián)齒輪定量泵 3、4.多路閥5、6.電磁溢流閥 7.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓回路8、9、13、14.修剪機(jī)構(gòu)液壓回路 11.變幅機(jī)構(gòu)液壓回路10、12.伸縮機(jī)構(gòu)液壓回路 15.回油過(guò)濾器 16.油箱圖1 車載式綠籬機(jī)整體液壓系統(tǒng)
查閱各種常用機(jī)械設(shè)備的工作壓力可知,液壓機(jī)、大中型挖掘機(jī)、起重運(yùn)輸機(jī)械的工作壓力為20~30 MPa,對(duì)于回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械執(zhí)行元件背壓取1.3~3 MPa,該車載式綠籬機(jī)的工作壓力取20 MPa,系統(tǒng)背壓取1.2 MPa。
根據(jù)工作環(huán)境以及設(shè)計(jì)的合理性,取刀具轉(zhuǎn)速為3000 r/min,建議配套馬達(dá)功率為10 kW,選型時(shí)以馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和排量作為選型依據(jù),由下式計(jì)算:
(1)
式中,ω為刀具角速度;Tm為刀具馬達(dá)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Pw為刀具馬達(dá)的功率;nm為馬達(dá)轉(zhuǎn)速,與刀具轉(zhuǎn)速相同;Vm為馬達(dá)排量;p為系統(tǒng)壓力;ηm為馬達(dá)機(jī)械效率,取0.95;
將數(shù)據(jù)代入上式可得修剪機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)的排量為11.09 mL/r,液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩大小為31.84 N·m,所以選擇合肥長(zhǎng)源液壓馬達(dá)型號(hào)為CMW-F212.5-CFZS,該馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min,排量為12.5 mL/r,扭矩為32.2 N·m。
對(duì)于該雙臂綠籬機(jī)的液壓系統(tǒng),各執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是單獨(dú)動(dòng)作不存在復(fù)合動(dòng)作,長(zhǎng)臂、短臂修剪機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作時(shí)所需要的流量最大,所以系統(tǒng)流量應(yīng)為長(zhǎng)短臂修剪機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)所需的流量,計(jì)算如下:
(2)
式中,ηv為馬達(dá)容積效率,取0.93;Qm為修剪機(jī)構(gòu)馬達(dá)的最大流量;Qp為系統(tǒng)流量;k為系統(tǒng)的泄漏系數(shù),取1.1。
將數(shù)據(jù)代入上式可得液壓馬達(dá)的最大流量為35.97 L/min,系統(tǒng)流量大小為78.71 L/min。
以上確定了液壓系統(tǒng)的壓力以及流量,由此可得液壓系統(tǒng)功率為:
(3)
式中,Pm為系統(tǒng)功率;ηp為泵的總效率,取0.95。將數(shù)據(jù)代入上式可得系統(tǒng)功率為27.62 kW。
液壓泵的最大工作壓力為系統(tǒng)壓力與管路壓力損失之和。管路壓力損失的選擇原則為:管路簡(jiǎn)單、流速不大,取其值為0.2~0.5 MPa;結(jié)構(gòu)復(fù)雜、串聯(lián)有調(diào)速閥的,取其值為0.5~1.5 MPa,前面已經(jīng)確定系統(tǒng)壓力為20 MPa,所以該液壓泵的最大工作壓力為21.5 MPa。
液壓泵流量與系統(tǒng)流量相同為78.71 L/min,泵的排量為:
(4)
式中,Vp為泵的排量;Qp1為泵的流量;np為泵的轉(zhuǎn)速;ηpv為液壓泵的容積效率,取0.95。
將數(shù)據(jù)代入上式可得泵的排量為36.5 mL/r,根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)、液壓泵的壓力、流量等要求選擇合肥長(zhǎng)源雙聯(lián)齒輪泵型號(hào)為CBTL-F420/416-AFHR,泵的最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min,前泵排量為20 mL/r,后泵排量為16 mL/r 。
1) 活塞桿和活塞直徑的計(jì)算
由于各液壓缸計(jì)算過(guò)程類似,所以這里以長(zhǎng)臂角度調(diào)節(jié)液壓缸為例進(jìn)行計(jì)算。
液壓缸中活塞桿的工作狀態(tài)為受壓和受拉兩種,用式(5)計(jì)算,受力如圖2所示。
圖2 液壓缸的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
(5)
式中,F(xiàn)1為活塞桿處于受壓狀態(tài)時(shí)的受力;Fw為液壓缸外力;η為液壓缸的工作效率,取0.95;p1為液壓腔工作壓力;p2為背壓,該值根據(jù)回路的連接方式確定;A1為無(wú)桿腔有效面積;A2為有桿腔有效面積;F2為活塞桿處于受拉狀態(tài)時(shí)的受力;D為缸筒內(nèi)徑;d為活塞桿直徑。
根據(jù)速度比φ與桿徑d以及缸徑D之間的關(guān)系可知,速度比為1.46時(shí),d=0.56D,經(jīng)分析可知臂架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),長(zhǎng)臂角度調(diào)節(jié)液壓缸和短臂舉升液壓缸處于受壓狀態(tài),其余液壓缸既受壓力又受拉力,對(duì)于長(zhǎng)臂角度調(diào)節(jié)液壓缸,代入數(shù)據(jù)求得缸筒內(nèi)徑為77.68 mm,活塞桿直徑為43. 5 mm。
根據(jù)計(jì)算的桿徑和缸徑值選擇榆次油研液壓缸型號(hào)為DG-J80C-E1-Y3,桿徑為45 mm,缸徑為80 mm,其余液壓缸計(jì)算過(guò)程類似,表1為各液壓缸的相關(guān)參數(shù),其中液壓缸的最大受力是指各液壓缸在綠籬機(jī)上正常工作時(shí)所受的最大力,其余參數(shù)為液壓缸標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。
表1 綠籬機(jī)各液壓缸的相關(guān)參數(shù)
2) 回轉(zhuǎn)馬達(dá)計(jì)算選型
回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的排量、轉(zhuǎn)速以及馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩用下式進(jìn)行計(jì)算:
(6)
式中,V為回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量;n為回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速;η1為傳動(dòng)效率,取0.9;n2為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速,取12 r/min;z1為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)小齒輪齒數(shù),取17;iΣ為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比;z2為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大齒輪齒數(shù),取176;Q為回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量。
經(jīng)分析可知回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承受的回轉(zhuǎn)阻力矩Msw由啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的慣性力矩Mi、回轉(zhuǎn)摩擦力矩Mf、回轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩Mw構(gòu)成,由于風(fēng)阻力矩對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)影響小且難以精確計(jì)算,所以用Mi和Mf進(jìn)行計(jì)算,在計(jì)算慣性力矩Mi時(shí)刀具產(chǎn)生的慣性力矩極小,可以忽略,僅以回轉(zhuǎn)平臺(tái)上各部件產(chǎn)生的慣性力矩計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如下:
(7)
式中,ξ為角加速度,取0.3 rad/s2;m為刀具的總質(zhì)量;r為刀具轉(zhuǎn)盤(pán)中心到回轉(zhuǎn)中心的距離,取3 m;ji為轉(zhuǎn)臺(tái)上各部件對(duì)回轉(zhuǎn)中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;μα為當(dāng)量摩擦系數(shù),取0.012;D0為回轉(zhuǎn)支承的滾道中心直徑,取0.5 m;ΣNGM為傾覆力矩與軸向外載荷作用下滾動(dòng)體上產(chǎn)生的法相壓力總和;ΣNH為徑向外載荷作用下,在滾動(dòng)體上產(chǎn)生的法向壓力的絕對(duì)值之和;T為回轉(zhuǎn)馬達(dá)的負(fù)載扭矩;η1為傳動(dòng)效率,取0.9;
將數(shù)據(jù)代入式(6)和式(7)可得回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為138.67 r/min,排量為393.54 mL/r,馬達(dá)流量為58.68 L/min,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)阻力矩為3780.26 N·m,回轉(zhuǎn)馬達(dá)的負(fù)載扭矩為403.87 N·m。由此選擇濟(jì)寧力科型號(hào)為BM330-0075的擺線馬達(dá),該馬達(dá)最大流量為58 L/min,轉(zhuǎn)速為140 r/min,輸出扭矩為418 N·m。
1) 各部件發(fā)熱計(jì)算
(1) 油泵功率損失產(chǎn)生的熱量
H1=860·p1·Q1·(1-ηp)·λb/60
(8)
式中,p1為泵的使用壓力;Q1為泵的額定使用流量;ηp為泵的總效率,一般取0.85;λb為油泵的功率利用率,一般取0.7~0.8。
(2) 回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)時(shí)溢流開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的熱量
H2=860·pn·Q·f2/60
(9)
式中,pn為制動(dòng)閥的調(diào)整壓力,一般取24~27 MPa;Q為回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量,按照單泵的一半計(jì)算;f2為一個(gè)循環(huán)時(shí)間中回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間之和與工作循環(huán)時(shí)間之比,取0.1。
(3) 回轉(zhuǎn)馬達(dá)功率損失產(chǎn)生的熱量
H3=860·pm·ηmv·λm
(10)
式中,pm為回轉(zhuǎn)馬達(dá)功率;ηmv為回轉(zhuǎn)馬達(dá)總效率,一般取0.85~0.88;λm為回轉(zhuǎn)馬達(dá)利用率,取0.1。
(4) 工作裝置溢流產(chǎn)生的熱量
工作裝置的溢流主要為修剪機(jī)構(gòu)溢流時(shí)產(chǎn)生的熱量,溢流閥在設(shè)定壓力下通過(guò)溢流閥流回油箱時(shí)所產(chǎn)生的熱量幾乎全部用于使油溫上升。
H4=1.41pyQy
(11)
式中,py為溢流閥的設(shè)定壓力;Qy為通過(guò)溢流閥的流量。
(5) 背壓產(chǎn)生的熱量
H5=860·p5·Q5·k1/60
(12)
式中,p5為背壓壓力;Q5為回油流量,按照額定流量的70%計(jì)算;k1為復(fù)合動(dòng)作系數(shù),取0.7。
(6) 總發(fā)熱量
將數(shù)據(jù)代入式(9)~式(12)中并進(jìn)行求和可得液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量為7102.892 kcal/h。
(7) 液壓油箱散熱量
H′=kA(t1-t2)
(13)
式中,A為油箱表面積,為3.075×106mm2;k為油箱表面散熱系數(shù),取20 kcal/(m2·℃·h);t1為油箱內(nèi)溫度,取80 ℃;t2為油箱周圍空氣溫度,取40 ℃。
將數(shù)據(jù)代入式(13)得油箱散熱為2460 kcal/h。
由于油箱散熱量小于總發(fā)熱量,所以該液壓系統(tǒng)需要冷卻裝置。
(8) 冷卻裝置選擇及冷卻面積計(jì)算
該液壓系統(tǒng)選擇風(fēng)冷式冷卻器,冷卻裝置的冷卻面積用下式計(jì)算:
(14)
將數(shù)據(jù)代入式(14)可得該風(fēng)冷式冷卻器的冷卻面積為2×106mm2,該液壓系統(tǒng)回油路壓力為1.2 MPa,液壓泵的流量為110 L/min,由此選擇佛山睿佳設(shè)備有限公司生產(chǎn)型號(hào)為AH1215的風(fēng)冷卻器,該冷卻器工作時(shí)允許的最大流量為120 L/min,允許的最大工作壓力為3.5 MPa,冷卻面積為4.5×106mm2,冷卻能力為10 kW。
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和修剪機(jī)構(gòu)是雙臂綠籬機(jī)兩個(gè)重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu),這兩個(gè)機(jī)構(gòu)的工作效率對(duì)綠籬機(jī)的工作效率有著很大影響,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)馬達(dá)作為回轉(zhuǎn)支承的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置,其選型的合適與否關(guān)系著整個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)合理性,修剪機(jī)構(gòu)中的液壓馬達(dá)是修剪刀具旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源,其選型的合適與否關(guān)系著綠籬機(jī)能否達(dá)到工作要求,所以下面對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真,將仿真所得結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,確定元件選型是否合理。
AMESim 是一款基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件,在液壓系統(tǒng)方面的應(yīng)用日漸廣泛[4],下面利用AMESim對(duì)綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
車載式雙臂綠籬機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)及修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)所涉及的液壓元件均可以在AMESim元件庫(kù)中找到,但是模型中的防反彈閥需要通過(guò)HCD庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建[5],即利用液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)進(jìn)行構(gòu)建[6]。
如圖3所示為利用AMESim中的HCD庫(kù)所搭建的防反彈閥的模型,其作用是減少回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊[7-8],將反彈閥搭建好后對(duì)綠籬機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建立模型如圖4所示。
圖3 防反彈閥
圖4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)
按照要求設(shè)計(jì)好各元件參數(shù)后進(jìn)行仿真,換向閥全開(kāi)時(shí),通過(guò)最大流量為100 L/min,緩沖限壓閥壓力為10 MPa,0~4 s時(shí)左緩沖限壓閥關(guān)閉,4~6 s左緩沖限壓閥打開(kāi),0~2 s右緩沖限壓閥打開(kāi),2~6 s右緩沖限壓閥關(guān)閉,回轉(zhuǎn)馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為20000 kg/m2,負(fù)載扭矩為403.87 N·m,得到回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量、轉(zhuǎn)速以及扭矩的仿真結(jié)果如圖5~圖7所示,若仿真結(jié)果數(shù)值為負(fù)值,表明與系統(tǒng)設(shè)置方向相反,并無(wú)差錯(cuò)[9]。
圖5 回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量
圖6 回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速
圖7 回轉(zhuǎn)馬達(dá)扭矩
由圖5~圖7所示,在0~4 s換向閥打開(kāi),電信號(hào)為40,換向閥左腔進(jìn)油,馬達(dá)正轉(zhuǎn),換向閥全開(kāi)時(shí)通過(guò)的最大流量為100 L/min,此時(shí)馬達(dá)的最大流量為60 L/min,最高轉(zhuǎn)速為160 r/min,馬達(dá)最大扭矩為410 N·m,4~6 s電信號(hào)為-40,換向閥右腔進(jìn)油,馬達(dá)反轉(zhuǎn),此時(shí)馬達(dá)最大流量為60 L/min,最高轉(zhuǎn)速為150 r/min,馬達(dá)最大扭矩為400 N·m,由以上仿真結(jié)果可知,在滿足工作要求的前提下,回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中回轉(zhuǎn)馬達(dá)的流量與理論計(jì)算流量58.68 L/min基本相符,回轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與理論計(jì)算轉(zhuǎn)速138.67 r/min基本相符,回轉(zhuǎn)馬達(dá)的扭矩與理論計(jì)算扭矩403.87 N·m基本相符,所以回轉(zhuǎn)馬達(dá)所選型號(hào)符合設(shè)計(jì)要求。
修剪機(jī)構(gòu)是綠籬機(jī)的一個(gè)主要執(zhí)行機(jī)構(gòu),這里以長(zhǎng)臂修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真,該液壓系統(tǒng)用電磁溢流閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行卸荷、穩(wěn)壓以及過(guò)載保護(hù)[10-12],修剪機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)模型如圖8所示。
圖8 修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型
按照工作要求將各元件參數(shù)設(shè)置好后運(yùn)行仿真,電磁換向閥全開(kāi)時(shí),通過(guò)的流量為100 L/min,得到刀具馬達(dá)的流量、轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果如圖9~圖11所示。
圖9 刀具馬達(dá)流量
在0~6 s時(shí)換向閥電信號(hào)為47.8,換向閥左腔進(jìn)油,當(dāng)換向閥開(kāi)口最大時(shí)通過(guò)的流量為100 L/min,此時(shí)馬達(dá)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)馬達(dá)最大流量為35 L/min,最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min,馬達(dá)扭矩為32 N·m,由以上仿真結(jié)果可知,在滿足工作要求的前提下,修剪機(jī)構(gòu)中馬達(dá)流量與理論計(jì)算流量35.97 L/min基本相符,馬達(dá)轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速3000 r/min,馬達(dá)扭矩與理論計(jì)算扭矩31.84 N·m基本相符,所以回轉(zhuǎn)馬達(dá)所選型號(hào)符合設(shè)計(jì)要求。
圖10 刀具馬達(dá)轉(zhuǎn)速
圖11 刀具馬達(dá)扭矩
雙臂綠籬機(jī)樣機(jī)制造完成后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),如圖12、圖13所示。
圖12 綠籬機(jī)樣機(jī)作業(yè)過(guò)程
圖13 綠籬機(jī)完成作業(yè)
對(duì)綠籬機(jī)工作前后的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比,如圖12、圖13所示,可得綠籬機(jī)能夠正常工作,液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,綠籬機(jī)達(dá)到了工作要求,液壓系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)車載式雙臂綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,完成了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與元件選型,利用AMESim分別對(duì)修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明:綠籬機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)與修剪機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的相關(guān)元件選型合理,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本研究對(duì)車載式雙臂綠籬機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。